Yeni Nesil Madde: Hidrojeller


Hidrojeller üzerinde yapılan ilk çalışmalar, 1930'ların ortalarında, çapraz bağlı polimerlerin kinetiği üzerine yapılan çalışmalarla başlamıştır. 1940'larda, Nobel ödüllü Paul Flory'nin araştırması, hidrojellerin çapraz bağlı yapısının, şişme özelliklerinin, saf su ve fizyolojik sıvılardaki küçük ve büyük deformasyon davranışının ayrıntılı, temel bir anlayışına yol açmış, ilerleyen yıllarda da başka isimler tarafından bu malzeme hakkında kitaplar yazılmış ve çalışmalar yapılmıştır [1].


Hidrojeller, suyun disperse olduğu kolloidal jeller olarak, şişme ve önemli miktarda suyu bünyesinde tutma yeteneği sergileyen, ancak suda çözünmeyen polimerik malzemelerdir. Suyu emme yeteneği, polimerik omurgaya bağlı hidrofilik fonksiyonel gruplardan kaynaklanırken, çözünmeye karşı dirençleri ağ zincirleri arasındaki çapraz bağlardan kaynaklanmaktadır. [2]

Hidrojeller, üç boyutlu polimer zincirler ağı ve makromoleküller arasındaki boşluğu dolduran sudan oluşan iki veya çok bileşenli sistemledir. Kullanılan polimerin (polimerlerin) özelliklerine ve ağ bağlantılarının doğasına ve yoğunluğuna bağlı olarak, bir dengede olan bu tür yapılar çeşitli miktarlarda su içerebilir; şişmiş durumdaki bir hidrojelde, suyun kütle oranı, polimerin kütle oranından çok daha yüksektir. Uygulamada, yüksek derecede şişme elde etmek için, çapraz bağlı olmayan formdayken suda çözünür olan sentetik polimerlerin kullanılması yaygındır [2].


Şekil 1. Hidrojelin basit yapısı


Hazırlama yöntemlerine, iyonik yüklere, kaynaklara, çapraz bağlanma türüne ve yapısına bağlı olarak, hidrojeller çeşitli şekillerde sınıflandırılabilir [3].


1. Kaynağına Göre Hidrojeller


Hidrojeller kaynağına göre doğal veya sentetik olarak iki gruba ayrılabilir. Doğal polimerler, kolajen ve jelatin gibi proteinleri ve nişasta, aljinat ve agaroz gibi polisakkaritleri içerir. Sentetik polimerler, geleneksel olarak kimyasal polimerizasyon yöntemleri kullanılarak hazırlanır; doğaları gereği hidrofobiktir ve doğal polimerlere kıyasla kimyasal olarak daha güçlüdür [2].


2. Hazırlama Yöntemine Göre Hidrojeller


a. Homopolimerik Hidrojeller: Herhangi bir polimer ağından oluşan tek bir monomer türünden türetilen polimer ağlarıdır.


b. Kopolimerik Hidrojeller: Polimer ağ zinciri boyunca rastgele, blok veya alternatif bir konfigürasyonda düzenlenmiş en az bir hidrofilik bileşene sahip iki veya daha fazla farklı monomer türünden oluşan hidrojellerdir.


c. Multipolimer hidrojeller: Birlikte reaksiyona giren üç veya daha fazla komonomerden üretilir.


d. İç içe geçen polimerik hidrojeller (IPN): Bir ağ formunda bulunan iki bağımsız çapraz bağlı sentetik ve/veya doğal polimer bileşeninden oluşur [1][2].


Şekil 2. Hazırlama yöntemine göre hidrojellerin gösterimi. Sırayla homopolimerik, kopolimerik ve iç içe geçen polimerik hidrojeller (IPN) [4]


3. Yapısına Göre Hidrojeller


Ağın fizikokimyasal yapısal özelliklerine dayanarak, hidrojeller ayrıca şu şekilde sınıflandırılabilir:

a. Amorf hidrojeller: Makromoleküler zincirler rastgele düzenlenir. Kovalent çapraz bağlara sahiptir, kristal değildir.


b. Yarı kristalli hidrojeller: Amorf ve kristal fazların karmaşık bir karışımı. Kovalent çapraz bağlara sahip olabilir veya olmayabilir.


c. Kristalli hidrojeller [1][2].


4. Çapraz Bağlama Türüne Göre Hidrojeller


Hidrojeller, çapraz bağlantı noktalarının kimyasal veya fiziksel doğasına bağlı olarak iki kategoriye ayrılabilir. Kimyasal olarak çapraz bağlı ağlar kalıcı bağlantı noktalarına sahipken, fiziksel ağlar polimer zincir dolanmalarından veya iyonik etkileşimler, hidrojen bağları veya hidrofobik etkileşimler gibi fiziksel etkileşimlerden kaynaklanan geçici bağlantı noktalarına sahiptir [2].


5. İyonik Yüklerine Göre Hidrojeller


Hidrojeller, çapraz bağlı zincirlerde bulunan iyonik yükün varlığına veya yokluğuna göre dört gruba ayrılabilir:


a. Noniyonik hidrojeller (yüksüz).

b. Anyonik hidrojeller (yalnızca negatif yüklere sahip)

c. Katyonik hidrojeller (sadece pozitif yüklere sahip)

d. Amfolitik hidrojeller (hem pozitif hem de negatif yüklere sahip) [3].


Çevre Koşullarına Duyarlı Hidrojeller


Uyaranlara duyarlı hidrojeller, küçük çevresel değişikliklere tepki olarak şişme davranışlarında, ağ yapısında, geçirgenliklerinde ve/veya mekanik mukavemetlerinde nispeten büyük ve ani değişikliklere uğrayan hidrojeller olarak tanımlanır. Uyaranlara duyarlı hidrojeller ayrıca akıllı veya çevreye duyarlı hidrojeller olarak da adlandırılır.


pH, iyonik faktörler ve kimyasal ajanlar gibi kimyasal uyaranlar, polimer zincirleri arasındaki veya polimer zincirleri ile çözücü arasındaki etkileşimleri moleküler düzeyde değiştirirken; sıcaklık, elektrik veya manyetik alanlar ve mekanik stres gibi fiziksel uyaranlar, çeşitli enerji kaynaklarının seviyesini etkiler ve kritik başlangıç ​​noktalarında moleküler etkileşimleri değiştirir. Biyokimyasal uyaranlar, antijen, enzim, ligand ve diğer biyokimyasal ajanlara verilen yanıtları içeren başka bir kategori olarak kabul edilmiştir. Bu nedenle uyaranlara duyarlı hidrojeller farmasötik, biyoteknolojik ve biyomedikal uygulamalar için tercih edilen biyomateryallerdir [3].


Hidrojel Hazırlamada Benimsenen Teknolojiler


Daha öncede belirttiğimiz gibi hidrojeller, elastik bir yapı üretmek için çapraz bağlanmış hidrofilik polimerik ağlardan oluşur. Bu nedenle, çapraz bağlı bir polimer oluşturmak için kullanılabilen herhangi bir teknik, bir hidrojel üretmek için kullanılabilir. Hem doğal hem de sentetik kökenli suda çözünür doğrusal polimerler, hidrojel oluşturmak için çeşitli şekillerde çapraz bağlanır:


a. Kimyasal reaksiyon yoluyla polimer zincirlerinin bağlanması.

b. Çapraz bağlantı noktaları olarak yeniden birleşebilen ana zincir serbest radikalleri üretmek için iyonlaştırıcı radyasyon kullanmak.

c. Zincir dolanmaları, elektrostatikler ve kristalit oluşumu gibi fiziksel etkileşimler.


Jelleri oluşturmak için yığın, çözelti ve süspansiyon polimerizasyonu dahil olmak üzere çeşitli polimerizasyon tekniklerinden herhangi biri kullanılabilir.


Genel olarak hidrojel hazırlamanın üç ayrılmaz parçası monomer, başlatıcı ve çapraz bağlayıcıdır. Polimerizasyon ısısını ve nihai hidrojel özelliklerini kontrol etmek için su veya diğer sulu çözeltiler gibi seyrelticiler kullanılır. Ardından, hazırlama sürecinden kalan safsızlıkları gidermek için hidrojel kütlesinin yıkanması gerekir. Bu safsızlıklar, reaksiyona girmemiş monomer, başlatıcılar, çapraz bağlayıcılar ve yan reaksiyonlar yoluyla üretilen istenmeyen ürünleri içerir [2].


Şekil 3. Hidrojel hazırlamak için gerekli temel bileşenler [2]


Hidrojellerin Biyomalzeme Olarak Uygulamaları


Hidrojellerin biyomalzeme olarak uygulamaları için bazı önemli özellikleri aşağıdaki gibi verilebilir,

  • Üstün biyouyumluluk

  • İyi oksijen geçirgenliği

  • Düşük protein adsorpsiyonu ve hücre yapışması

  • Hücreleri ve terapötik ilaçları (peptidler, proteinler, oligonükleotitler, DNA) korumak için sulu yüzey ortamı

  • İmplantasyon sırasında çevre dokularda minimum sürtünme tahrişi

  • Yumuşak ve doku benzeri fiziksel özellikler

  • Ek taşıma kanalları için mikro gözenekli yapı

  • Spesifik biyomoleküllerle yüzey modifikasyonu kolaylığı

  • Vücut sıcaklığında jelleşen bir çözelti olarak in vivo enjekte edilebilirlik

Hidrojellerin bu özellikleri onları ilaç dağıtım sistemi, hücre kapsülleme, kontakt lensler, doku mühendisliği için iskeleler, biyosensörler, akıllı hücre kültürü substratları, yara pansuman, yumuşak doku değişimi ve daha birçok uygulama için ideal biyomalzemeler haline getirir. [3]


Kelimeler

  • Deformasyon: Kalıbı, biçimi bozulma, biçimsizleşme.

  • Kolloid: Gerçek çözelti ile heterojen karışımlar arasında yer alan ara karışımların adıdır

  • Disperse: Yayılmak, açılmak, serpilmek.


Kaynaklar


[1] Peppas, N. A., & Hoffman, A. S. (2020). Hydrogels. In Biomaterials science (pp. 153-166). Academic Press.

[2] Ahmed, E. M. (2015). Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review. Journal of advanced research, 6(2), 105-121.

[3] Patel, A., & Mequanint, K. (2011). Hydrogel biomaterials. In Biomedical engineering-frontiers and challenges. IntechOpen.

[4] Peppas, N. A., Slaughter, B. V., Kanzelberger, M. A., Matyjaszewski, K., & Möller, M. (2012). 9.20–Hydrogels. M. Editorsin-Chief: Krzysztof & M. Martin (Eds.), Polymer Science: A Comprehensive Reference, 385-395.

19 görüntüleme0 yorum

Son Paylaşımlar

Hepsini Gör